Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico

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(1)Mestrado Integrado em Engenharia Química. Desenvolvimento de materiais com elevado Desenvolvimen isolamento térmico Tese de Mestrado desenvolvida no âmbito da disciplina de. Projecto de Desenvolvimento em Ambiente Empresarial. Bruna Gabriela Silvestre Mendes Pinto de Moura. Departamento de Engenharia Química Orientador na FEUP: Doutor Fernando Pereira Orientador na empresa: Doutora Andrea Carneiro. Julho de 2009.

(2) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Agradecimentos Desejo agradecer a todas as pessoas ou instituições que, directa ou indirectamente contribuíram para a realização desta tese de mestrado. Em especial aos meus orientadores, Doutora Andrea Carneiro e Doutor Manuel Fernando Pereira, por toda a simpatia e ajuda disponibilizada. Gostaria de agradecer ao Mestre Bruno Jarrais pela ajuda prestada numa fase inicial do trabalho e ao José Fernando por se ter disponibilizado em caracterizar as amostras por microscopia óptica. Gostaria, ainda, de expressar os meus mais sinceros agradecimentos ao Mestre Carlos Costa e em especial à Doutora Carina Machado, pela disponibilidade demonstrada no sentido de esclarecer todas as dúvidas que foram surgindo, relativamente à utilização do DCS e TGA. Não poderia deixar de agradecer à minha colega Ana Sampaio, por me ter fornecido toda a informação necessária para a utilização dos equipamentos para medição de ângulos de contacto e teste de solidez à lavagem, disponíveis nas instalações no CITEVE. Agradeço, também, a esta última instituição, por ter possibilitado a utilização destes equipamentos. Desejo também agradecer ao CeNTI, na pessoa do seu director, Engenheiro António Vieira, por ter facultado todos os materiais necessários à realização do projecto e pela ajuda no financiamento de deslocações e alimentação. Gostaria, ainda, de agradecer à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, nomeadamente ao Departamento de Engenharia Química, por ter possibilitado esta excelente oportunidade. Por fim, mas não menos importante, gostaria de agradecer a todos os meus amigos, à minha família e ao João, por todo o apoio prestado..

(3) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Resumo O objectivo deste projecto consiste na incorporação de um material nanoestruturado à base de sílica, o composto A, em estruturas têxteis, para melhorar as propriedades de isolamento térmico destes materiais, de forma a tornar a sua utilização viável para aplicações em condições climáticas adversas. Actualmente, e na maioria dos casos, o isolamento térmico em condições climáticas adversas é assegurado por fibras sintéticas especiais à base de poliéster. Para o desenvolvimento deste projecto, utilizaram-se tecidos e não-tecidos cuja constituição é à base de fibras de poliéster e tentou-se melhorar as suas propriedades. Com recurso a uma metodologia desenvolvida no decorrer do projecto, incorporaram-se diferentes quantidades do composto A nos diferentes substratos estudados e realizaram-se ensaios com diferentes quantidades de surfactante, com o objectivo de estudar qual a influência destas variáveis no resultado final obtido. As amostras obtidas foram caracterizadas por: microscopia óptica, microscopia electrónica de varrimento com microanálise de raios-X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, termogravimetria, medição de ângulos de contacto e medição do tempo de repelência à água. Pela análise dos dados obtidos, observou-se que, os ensaios que apresentaram melhores resultados, no que diz respeito à quantidade de composto A incorporada, à sua uniformidade e distribuição, e à reprodutibilidade de resultados, foram os ensaios do substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A, do substrato Z1 com 10% de surfactante e 100 mg de A e os ensaios do substrato Y1 com 25% de surfactante e 250 mg de composto A. Determinou-se, também, a resistência térmica das amostras referidas anteriormente através do método “Sweating Guarded-Hotplate”, comummente designado por Skin Model. Relativamente ao substrato X, os resultados obtidos sugerem um aumento de resistência térmica equivalente a 12%, após o tratamento com o composto A. No entanto, devido à heterogeneidade do substrato, este aumento está dentro do erro do método. No que diz respeito ao substrato Z1, os valores de resistência térmica obtidos são semelhantes antes e após o tratamento com o composto A. Por outro lado, para o substrato Y1, pode considerar-se que, houve um aumento significativo da resistência térmica do material após a incorporação do composto A, sendo a diferença de resistência térmica antes e após o tratamento na ordem dos 50%. Palavras. Chave. (Tema):. isolamento. térmico,. nanoestruturados.. substratos. têxteis,. materiais.

(4) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Abstract The aim of this project consists on the incorporation of a nanostructured based silica material (compound A) into textile substrates, to improve their thermal insulation properties, in order to allow its use for applications in adverse climatic conditions. Nowadays, the thermal insulation in adverse climatic conditions is mainly assured by special synthetic fibres based on polyester. Therefore, for the development of this project, polyester based woven and non-woven was used and we tried to improve their properties. The incorporation of different quantities of compound A in the textile substrates was made by a methodology developed during this project. Other experiments were realized with different surfactant quantities, in order to study the influence of these variables on the final results. The developed samples were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy with X-ray microanalysis, Fourier Transform Infrared, thermogravimetry and it the hidrofobicity of the samples was tested by measuring the contact angle. By the analysis of the results we can conclude that the best results were obtained for substrate X with 10% of surfactant and 250mg of material A, substrate Z1 with 10% of surfactant and 100mg of material A and substrate Y1 with 25% of surfactant and 250 mg of material A. These results refer to the quantity of incorporated material A, to the uniformity of this material distribution and in relation to the results reproductiveness. The thermal resistance of the treated samples was determined by the Sweating GuardedHotplate method, normally named Skin Model. The results showed an increase of 12% for the substrate X after the incorporation of compound A. However, this value may be associated with the error of the method for this material. For substrate Z1 the thermal resistance did not change after the treatment with compound A. On the other hand, the thermal resistance for substrate Y1 increased 50% after the same treatment, which is a significant increase.. Keywords: thermal insulation, textile substrates, nanostructured materials.

(5) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Índice Índice ......................................................................................................... i Índice de Tabelas ......................................................................................... iii Índice de Figuras .......................................................................................... iv Notação e Glossário ....................................................................................... x 1. Introdução ............................................................................................. 1 1.1. Enquadramento e Apresentação do Projecto ............................................. 1. 1.2. Contributos do Trabalho ...................................................................... 1. 1.3. Organização da Tese .......................................................................... 2. 2. Estado da Arte ........................................................................................ 3. 3. Materiais e Métodos ................................................................................. 9. 4. 3.1. Substratos têxteis utilizados ................................................................. 9. 3.2. Incorporação do composto A nos substratos têxteis .................................. 10. 3.3. Caracterização dos substratos têxteis ................................................... 11. 3.3.1. Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA) ....................................... 11. 3.3.2. Solidez à lavagem ....................................................................................... 12. 3.3.3. Microscopia ótpica (M.O.) ............................................................................. 12. 3.3.4. Microscopia electrónica de varrimento (SEM) ...................................................... 12. 3.3.5. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) ....................... 12. 3.3.6. Termogravimetria (TGA) ............................................................................... 12. 3.3.7. Calorimetria diferencial de varrimento (DSC) ..................................................... 13. 3.3.8. Skin Model ................................................................................................ 13. Discussão dos resultados ......................................................................... 14 4.1. Incorporação do composto A em substratos têxteis ................................... 14. 4.1.1. Influência da quantidade de surfactante ........................................................... 22. 4.1.2. Influência da quantidade de A ........................................................................ 28. 4.2 4.2.1. Avaliação da hidrofobicidade dos substratos têxteis tratados ...................... 31 Influência da quantidade de surfactante na hidrofobicidade dos substratos tratados ..... 32. i.

(6) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. 4.2.2. 4.3. Influência da quantidade de A na hidrofobicidade dos substratos têxteis tratados ........ 36. Avaliação da resistência térmica dos substratos têxteis tratados .................. 37. 4.3.1. Skin Model ................................................................................................ 37. 4.3.2. Calorimetria diferencial de varrimento (DSC) ..................................................... 38. 4.4. Incorporação do composto A em substratos têxteis recorrendo ao uso de. metodologias utilizadas para o tingimento de fibras de poliéster com corantes dispersos 39 5. Conclusões .......................................................................................... 42. 6. Avaliação do trabalho realizado................................................................. 44 6.1. Objectivos Realizados ....................................................................... 44. 6.2. Outros Trabalhos Realizados ............................................................... 44. 6.3. Limitações e Trabalho Futuro ............................................................. 44. 6.4. Apreciação final .............................................................................. 45. Referências ............................................................................................... 46 Anexo 1. Calorimetria diferencial de varrimento............................................... 49. Anexo 2. Microscopia electrónica de varrimento (SEM) ....................................... 53. •. Substrato X ....................................................................................... 53. •. Substrato Z1 ..................................................................................... 60. •. Substrato Y1 ..................................................................................... 63. •. Substrato Y2 ..................................................................................... 65. Anexo 3. Termogravimetria ......................................................................... 68. Anexo 4. Preparação das amostras para determinação da resistência térmica por. “Sweating Guarded-Hotplate” (Skin Model) ....................................................... 70 Anexo 5. Incorporação do composto A em substratos têxteis com base no processo de. tingimento de fibras de poliéster com corantes dispersos ...................................... 71 Anexo 6. Microscopia óptica ........................................................................ 72. Anexo 7. Análise da hidrofobicidade por medição do ângulo de contacto ................. 74. Anexo 8. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) ........ 78. ii.

(7) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Índice de Tabelas Tabela 1 – Principais características dos diferentes substratos utilizados (adaptado de CoolmaxThermolite, 2009; Maoxiang, 2009; Evolon, 2009). .................................................................9 Tabela 2 – Bandas de infravermelho (cm-1) obtidas para o composto A e para o substrato X tratado e não tratado. .............................................................................................................. 15 Tabela 3 – Imagens de SEM das amostras do substrato X. ........................................................ 20 Tabela 4 – Imagens de SEM das amostras do substrato Z1. ...................................................... 20 Tabela 5 – Imagens de SEM das amostras do substrato Y1. ...................................................... 20 Tabela 6 – Espectros de EDS das amostras do substrato Z1 antes e após a incorporação do composto A. .............................................................................................................................. 21 Tabela 7 – Espectros de EDS das amostras do substrato Y1 antes e após a incorporação do composto A. .............................................................................................................................. 21 Tabela 8 – Massa de composto A incorporado nos substratos Z1 e Y1. ........................................ 31 Tabela 9 – Resistência térmica dos substratos antes e após o tratamento com o composto A. Os resultados obtidos correspondem ao valor médio resultante de medições de 3 provetes distintos. .... 37 Tabela 10 – Condutividade térmica de diferentes amostras, determinada num calorímetro diferencial de varrimento. ........................................................................................................... 38 Tabela 11 – Condutividade térmica das amostras do substrato Y1 antes e após a incorporação do composto A. Foram analisados um disco da amostra (espessura=0,30mm) e dois discos da amostra em simultâneo (espessura=0,67mm), de forma a aumentar a espessura da amostra ensaiada. .............. 39 Tabela 12 – Resistência térmica das amostras do substrato Y1 antes e depois da incorporação do composto A, com recurso a duas metodologias diferentes. ..................................................... 40 Tabela 13 - Condutividade térmica do Nomex obtida por calorimetria diferencial de varrimento. ..... 51 Tabela 14 – Imagens de microscopia óptica do substrato X tratado com o composto A, antes e após o teste de solidez à lavagem. ........................................................................................... 72. iii.

(8) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Índice de Figuras Figura 1 - Aerogel (Frozen smoke). ....................................................................................5 Figura 2 - Esquema representativo da síntese do aerogel. (Adaptado de AspenAerogels, 2009b) .........6 Figura 3 - Esquema representativo da estrutura química de um aerogel à base de sílica. ..................6 Figura 4 - Nanogel® Aerogel Blanket ..................................................................................7 Figura 5 - Esquema representativo do tingimento das fibras de poliéster com corantes dispersos. ......8 Figura 6 - Unidade experimental do Skin Model, de acordo com a Norma ISO 11092:1993(E) (Bartels, 2003). ...................................................................................................................... 13 Figura 7 – Espectro de FTIR do composto A. ........................................................................ 14 Figura 8 – Espectro de FTIR da amostra de substrato X com 10% surfactante e 250 mg de composto A (preto), do substrato X não tratado (cinzento) e do composto A (tracejado). .............................. 15 Figura 9 – Espectro de FTIR da amostra do substrato X com 10% de surfactante e a) 25 mg, b) 100 mg e c) 250 mg de composto A. .............................................................................................. 16 Figura 10 – Espectro de FTIR das amostras do substrato X tratadas com 250 mg de composto A, recorrendo ao uso de a) 20%, b) 30% de surfactante. ............................................................. 17 Figura 11 – Espectros de FTIR das amostras do substrato X tratadas com o composto A, após o teste de solidez à lavagem........................................................................................................ 18 Figura 12 - Imagem de SEM do composto A. ........................................................................ 22 Figura 13 – Representação gráfica dos resultados obtidos do composto A por TGA......................... 23 Figura 14 – Percentagem em massa, das amostras do substrato Z1 com: 0% de surfactante e 0 mg de composto A (E1), 10% de surfactante e 0 mg de composto A (E2); 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E3); e 30% de surfactante e 250 mg de composto A (E4), a uma temperatura de 550ºC. . 24 Figura 15 - Gráfico obtido com a degradação térmica de uma amostra do substrato Z1 com 10% de surfactante e 250mg de A: a) Perda de percentagem em massa em função da temperatura, b) Derivada da percentagem em massa em ordem ao tempo em função da temperatura. ............................... 24 Figura 16 – Gráfico obtido com a degradação térmica das amostras do substrato Z1 e do composto A. 25 Figura 17 - Percentagem em massa, a uma temperatura de 550ºC, do substrato Z1 com: 0% de surfactante e 0 mg de composto A antes - E0.1 – e depois – E0.2 – do teste de solidez à lavagem; 10% de surfactante e 250mg de composto A antes - E1.1 e E1.3 – e depois – E1.2 e E1.4 – do teste de solidez à lavagem; 30% de surfactante e 250 mg de composto A antes – E2.1 e E2.3 – e depois – E2.2 e E2.4 – da realização deste teste. ..................................................................................... 25 Figura 18 - Percentagem em massa, a uma temperatura de 550º,C das amostras de substrato Y1 com: 0% de surfactante e 0 mg de composto A (E1); 25% sufactante e 0 mg de composto A (E2); 10% de. iv.

(9) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. surfactante e 250 mg de composto A (E3); 20% de surfactante e 250 mg de composto A (E4); 25% de surfactante e 250 mg de composto A (E5); e 30% de surfactante e 250 mg de composto A (E6). ........ 26 Figura 19 - Percentagem em massa, a uma temperatura de 550ºC, das amostras do substrato Y1 com: 0% de surfactante e 0 mg de composto A antes – E0.1 – e depois – E0.2 da realização do teste de solidez à lavagem; 10% de surfactante e 250mg de composto A antes – E1.1 e E1.3 – e depois – E1.2 e E1.3 - do teste de solidez à lavagem; 30% de surfactante e 250mg de composto A antes – E2.1 e E2.3 – e depois – E2.2 e E2.4 da realização deste teste. .............................................................................. 27 Figura 20 – Percentagem em massa, a uma temperatura de 550ºC, das amostras dos substratos a) Y1 e b) Y2 com; 0% de surfactante e 0 mg de composto A (E1), 10% surfactante e 250 mg de composto A (E2) e 30% surfactante e 250 mg de composto A (E3)................................................................... 27 Figura 21 - Percentagem em massa, a uma temperatura de 550ºC, das amostras dos substratos a) Z1 e b) Z2 com: 0% de surfactante e 0 mg do composto A (E1) e 10% de surfactante e 250 mg do composto A (E2). ........................................................................................................................ 28 Figura 22 - Percentagem em massa, a uma temperatura de 550ºC, das amostras do substrato Z1 com: 0% de surfactante e 0 mg de composto A (E1); 10% de surfactante e 0 mg de composto A (E2); 10% de surfactante e 25 mg de composto A (E3); 10% de surfactante e 100 mg de composto A (E4); 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E5). ......................................................................... 29 Figura 23 - Percentagem em massa, a uma temperatura de 550ºC, das amostras de Y1 com: 0% de surfactante e 0 mg de composto A (E1); 10% de surfactante e 0 mg de composto A (E2); 10% de surfactante e 25 mg de composto A (E3); 10% de surfactante e 100 mg de composto A (E4); e 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E5). ......................................................................... 29 Figura 24 - Percentagem em massa dos substratos Y1 e Z1 tratados com o composto A a uma temperatura de 550ºC. ................................................................................................. 30 Figura 25 - Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA) das amostras do substrato Z1 com; 0% de surfactante e 0 mg de composto A (E1); 10% de sufactante e 0 mg de composto A (E2); 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E3); 20% de surfactante e 250 mg de composto A (E4); 30% de surfactante e 250 mg de composto A (E5). ......................................................................... 32 Figura 26 - Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA) das amostras do substrato Y1 com: 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E1); 20% de surfactante e 250 mg de composto A (E2); 25% de surfactante e 250 mg de composto A (E3); 30% de surfactante e 250 mg de A (E4). ................... 33 Figura 27 – Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA) dos substratos: a) Y1 e b) Y2 com: 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E1); 20% de surfactante e 250 mg de composto A (E2); 25% de surfactante e 250 mg de composto A (E3); 30% de surfactante e 250 mg de composto A (E3). ....... 34 Figura 28 - Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA) dos substratos: a) Z1 e b) Z2 com 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E1); 20% de surfactante e 250 mg de composto A (E2); e 30% de surfactante e 250 mg de composto A (E3). ................................................................ 35. v.

(10) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Figura 29 – Esquema representativo do detergente a rodear as partículas do composto A, permitindo a absorção da gota de água pelo substrato, após o teste de solidez à lavagem. .............................. 35 Figura 30 - Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA) das amostras de Z1 com: 10% de surfactante e 25 mg de composto A (E1); 10% de surfactante e 100 mg de composto A (E2); 10% de surfactante e 250 mg de composto A (E3). ......................................................................... 36 Figura 31 - Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA) das amostras de Y1 com; 10% de surfactante e 25 mg de A (E1) e 10% de surfactante e 100 mg de A (E2); 10% de surfactante e 250 mg de A (E3). ................................................................................................................. 36 Figura 32 - Percentagem em massa, a uma temperatura de 550ºC, do substrato Y1: não tratado (E0); tratado com o composto A pela metodologia desenvolvida no decorrer do projecto (E1); tratado com o composto A pela metodologia utilizada para o tingimento de fibras de poliéster com corantes dispersos, sem a adição de agentes transportadores (E2) e com a adição de agentes transportadores (E3). ........................................................................................................................ 40 Figura 33 – Representação esquemática de um calorímetro diferencial de varrimento com compensação de potência (Malheiro, M. 2006)...................................................................................... 49 Figura 34 – Pico de fusão de uma amostra de Índio, cujo valor do seu declive ascendente ∆∆ equivale à resistência térmica do forno e respectivos sensores (Malheiro, M. 2006). ..................... 50 Figura 35 -Picos de fusão de uma amostra de Índio e de uma amostra de Índio colocada sobre um material com baixa condutividade térmica (a tracejado) (Malheiro, M. 2006). ............................. 50 Figura 36 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da face menos densa do substrato X não tratado, a uma ampliação de 100x. ................................... 53 Figura 37 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da face mais densa do substrato X não tratado, a uma ampliação de 100x. ..................................... 53 Figura 38 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da face mais densa do substrato X não tratado, a uma ampliação de 500x. ..................................... 54 Figura 39 – Espectro de EDS do substrato X não tratado. ........................................................ 54 Figura 40 – Imagem de SEM, resultante de electrões rectrodifundidos, do substrato X não tratado, a uma ampliação de 10000x.............................................................................................. 55 Figura 41 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da amostra do substrato X com 10% de surfactante e 0 mg de A, a uma ampliação de 100x. ................ 55 Figura 42 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da amostra do substrato X com 10% de surfactante e 0 mg de A, a uma ampliação de 2000x. ............... 55 Figura 43 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da amostra do substrato X com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 100x. ............. 56 Figura 44 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da amostra do substrato X com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 500x. ............. 56 vi.

(11) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Figura 45 – Espectro de EDS da amostra do substrato X com 10% de surfactante e 100mg de A. ......... 57 Figura 46 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da face menos densa da amostra do substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A, a uma ampliação de 100x. ................................................................................................................... 57 Figura 47 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da face menos densa da amostra do substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A, a uma ampliação de 500x. ................................................................................................................... 57 Figura 48 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da amostra da face menos densa do substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A, a uma ampliação de 5000x. .................................................................................................................. 58 Figura 49 – Espectro de EDS da face mais densa do substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A. .............................................................................................................................. 58 Figura 50 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da face mais densa do substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A, a uma ampliação de 100x..... 59 Figura 51 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, da face mais densa do substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A, a uma ampliação de 500x..... 59 Figura 52 – Diâmetro de partículas do composto A existentes no substrato X com 10% de surfactante e 250 mg de A. ............................................................................................................. 59 Figura 53 – Espectro de EDS da amostra da face mais densa do substrato X com 10% surfactante e 250 mg de A. ................................................................................................................... 60 Figura 54 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 não tratado, a uma ampliação de 100x. ............................................................ 60 Figura 55 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 não tratado, a uma ampliação de 5000x. ........................................................... 61 Figura 56 – Imagem de SEM do substrato Z1 com 10% de surfactante a) resultante de electrões rectrodifundidos a uma ampliação igual a 100x; b) resultante de electrões secundários a uma ampliação igual a 1000x. ............................................................................................... 61 Figura 57 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 com 10% de surfactante, a uma ampliação de 5000x. ............................................ 61 Figura 58 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 100x. ........................... 62 Figura 59 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 5000x. ......................... 62 Figura 60 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 com 25% de surfactante e 250 mg de A, a uma ampliação de 100x. ........................... 63. vii.

(12) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Figura 61 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 com 25% de surfactante e 250 mg de A, a uma ampliação de 5000x. ......................... 63 Figura 62 – Imagens de SEM do substrato Y1 não tratado com uma ampliação de a)100x e b) 5000x. .. 64 Figura 63 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Y1 com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 100x. ........................... 64 Figura 64 – Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Y1 com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 5000x. ......................... 64 Figura 65 - Imagem de SEM, resultante de a) Electrões secundários e b) Electrões rectrodifundidos, do substrato Z1 com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 100x. ........................... 65 Figura 66 – Imagem de SEM, resultante do substrato Z1 com 10% de surfactante e 100 mg de A, a uma ampliação de 500x....................................................................................................... 65 Figura 67 – Imagens de SEM do substrato Y2 não tratado, a uma ampliação de a)100x e b)300x. ....... 66 Figura 68 - Imagens de SEM do substrato Y2 não tratado, a uma ampliação de a)1000x e b)10000x. ... 66 Figura 69 - Imagens de SEM do substrato Y2 com 10% de surfactante e 25 mg de A, a uma ampliação de a)50 000x e b)100000x. ................................................................................................. 66 Figura 70 – Espectro de EDS do substrato Y2 com 10% de surfactante e 25 mg de A........................ 67 Figura 71 – Imagem de SEM do substrato Y2 com 10% de surfactante e 250 mg de A. ...................... 67 Figura 72 - Gráfico obtido com a degradação térmica de uma amostra do substrato Y1 com 25% de surfactante e 250 mg de A: a) Perda de percentagem em massa em função da temperatura, b) Derivada da percentagem em massa em ordem ao tempo em função da temperatura. ................... 68 Figura 73 - Gráfico obtido com a degradação térmica de uma amostra do substrato Y2 com 10% de surfactante e 250 mg de A: a) Perda de percentagem em massa em função da temperatura, b) Derivada da percentagem em massa em ordem ao tempo em função da temperatura. ................... 69 Figura 74 - Gráfico obtido com a degradação térmica de uma amostra do substrato Z2 com 10% de surfactante e 250mg de A: a) Perda de percentagem em massa em função da temperatura, b) Derivada da percentagem em massa em ordem ao tempo em função da temperatura. ............................... 69 Figura 75 – Variações de temperatura às quais a mistura (dispersão aquosa do A e substrato Y1) esteve sujeita durante a simulação do processo de tingimento. ........................................................ 71 Figura 76 –Imagem obtida resultante da tentativa de medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Z2. ............................................................................. 74 Figura 77 - Imagem obtida resultante da medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Y2 tratado com com 10% surfactante e 25 mg de A. ................................ 74 Figura 78 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Y2 tratado com 25% surfactante e 250 mg de A. .................................................. 75. viii.

(13) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Figura 79 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Z2 tratado com 25% surfactante e 250 mg de A. .................................................. 75 Figura 80 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Y2 tratado com 15% surfactante e 250 mg de A. .................................................. 75 Figura 81 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Z2 tratado com 30% surfactante e 250 mg de A. .................................................. 76 Figura 82 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Y1 tratado com 30% surfactante e 250 mg de A. .................................................. 76 Figura 83 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Y1 tratado com 25% surfactante e 250 mg de A. .................................................. 76 Figura 84 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Z1 tratado com 10% surfactante e 25 mg de A. ................................................... 77 Figura 85 - Imagem obtida com a medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato Y2 tratado com 25% surfactante e 100 mg de A. .................................................. 77 Figura 86 – Espectro FTIR do substrato Z1 tratado com 10% de surfactante e 250 mg de composto A. . 78 Figura 87 - Espectro FTIR do substrato Y1 tratado com 25% de surfactante e 250 mg de composto A. . 78. ix.

(14) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Notação e Glossário Lista de Siglas CeNTI CITEVE M.O. SEM EDS TGA TRA FTIR. Centro de Nanotecnologia de Materiais Técnicos, Funcionais e Inteligentes Centro Tecnológico das Indústrias Têxtil e do Vestuário de Portugal Microscopia óptica Microscopia electrónica de varrimento Microanálise de Raios-X Termogravimetria Tempo de repelência à água Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. x.

(15) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. 1 Introdução 1.1 Enquadramento e Apresentação do Projecto O objectivo deste projecto consiste no desenvolvimento de estruturas têxteis com elevado isolamento térmico, para utilização em condições climáticas adversas, quer em ambientes muito frios ou em condições de calor. Actualmente, e na maioria dos casos, o isolamento térmico do vestuário utilizado em condições climáticas adversas é baseado em fibras sintéticas especiais. No entanto, estes materiais, para além de não responderem completamente às necessidades, e de serem normalmente espessos e pesados, possuem um ciclo de vida curto (Sannino, 2006). Como tal, o desafio é produzir materiais têxteis que proporcionem conforto térmico em condições climáticas adversas e que sejam leves, pouco espessos e duradouros. Neste trabalho, tentouse incorporar em substratos têxteis um dos materiais mais promissores em termos de isolamento térmico, um material nanoestruturado à base de sílica (daqui por diante também designado por A) com baixa densidade e elevada resistência térmica. As principais dificuldades na realização deste projecto residiram na manipulação e incorporação eficaz do composto A nas estruturas têxteis. Este, devido à sua estrutura nanoporosa, é um dos melhores isolantes térmicos conhecidos. No entanto, devido à sua hidrofobicidade e estrutura frágil e quebradiça,. torna-se um material de difícil. manuseamento. De forma a contornar estes problemas, investigações recentes usam sistemas de protecção, tais como, cápsulas poliméricas ou ligações a substratos por intermédio de adesivos, para que as propriedades de materiais com estas características se mantenham durante a sua utilização. O aspecto inovador deste projecto é incoporar substratos têxteis com o composto A, de forma a melhorar as suas propriedades de isolamento térmico, sem recorrer a outro tipo de materiais, como, por exemplo, um ligante ou uma cápsula de protecção.. 1.2 Contributos do Trabalho Este é um projecto interdisciplinar que contempla diferentes áreas como a Química, a Engenharia Química, a Ciência dos Materiais e a Engenharia Têxtil. O CeNTI, como centro de investigação e desenvolvimento tecnológico, tem a seu cargo inúmeros projectos de investigação que contemplam todas estas áreas de desenvolvimento. O desenvolvimento de materiais com novas funcionalidades para as Indústrias Têxtil e Vestuário Introdução. 1.

(16) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. é uma das áreas de actuação de interesse do CeNTI. É neste contexto que se insere o presente trabalho: dar respostas e conhecimento crítico que ajudarão este centro de investigação a ir ao encontro de soluções para os diferentes projectos a que se propõe, na área da gestão térmica.. 1.3 Organização da Tese Para facilitar a exposição de procedimentos e resultados obtidos no desenvolvimento deste projecto, esta tese está divida em diferentes secções. No “Estado da Arte” está descrito qual o estado actual da arte no que diz respeito ao isolamento térmico em condições climáticas extremas. Aqui, faz-se, também, referência ao material que, até hoje, é o melhor isolante térmico conhecido, o aerogel. Nesta secção está, ainda, justificada a metodologia utilizada para a incorporação do composto A nas estruturas têxteis, durante a realização do projecto. Na secção “Materiais e Métodos” estão referenciados quais os materiais e procedimentos experimentais efectuados e os métodos utilizados para a caracterização das amostras obtidas. Numa quarta secção, a que diz respeito à discussão dos resultados, estão apresentados e discutidos os principais resultados obtidos com o desenvolvimento deste projecto. Na última secção estão expressas as principais conclusões deste projecto de desenvolvimento.. Introdução. 2.

(17) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. 2 Estado da Arte Milhares de pessoas em todo o mundo poderão estar temporariamente expostas a condições climáticas adversas - quer no âmbito de actividades de lazer quer no âmbito das suas actividades profissionais, pelo que os seus corpos precisam de protecção. A temperatura normal do corpo humano de uma pessoa adulta varia entre os 36,3 e os 37,1 ºC (Wang et al, 2006). A manutenção de uma temperatura constante no interior do nosso corpo é assegurada pelo balanço entre o calor produzido e as diferenças de temperatura entre este e o meio que o rodeia. Este é um factor de enorme importância, pois grande parte das enzimas necessárias à nossa sobrevivência são sensíveis a variações de temperatura e activas apenas em intervalos de temperatura restritos. O calor produzido é um “bioproduto” resultante de reacções químicas que ocorrem no nosso metabolismo, pois apenas 43% da energia produzida pelo corpo humano é utilizada para trabalho biológico, sendo a restante libertada sob a forma de calor. É, por isso, necessário que este calor seja convenientemente dissipado para que a temperatura no interior do corpo humano se mantenha constante (Wang et al, 2006). Durante as actividades diárias, o corpo humano produz grandes quantidades de energia o que faz com que a sua temperatura aumente. Para contrariar este facto, o corpo transpira grandes quantidades de água sob a forma líquida e vapor. Quando esta transpiração é libertada para a atmosfera, a temperatura do corpo baixa (Özdil et al, 2007). No entanto, quando estas actividades são realizadas em condições climáticas de extremo calor, a temperatura corporal aumenta significativamente, podendo levar à disfunção deste sistema termorregulador – hipertermia. Neste caso, entre outros sintomas, a pessoa em causa fica desidratada e com dificuldades de locomoção (Centro internacional de Nogoya, 2009). Por outro lado, em ambientes frios, onde a temperatura do corpo humano tende a ser inferior ao seu nível normal, este produz calor através de uma série de mecanismos e movimentos involuntários, de forma a compensar a diminuição de temperatura. Quando a pele e o sangue estão a uma temperatura inferior à considerada normal, os processos metabólicos e fisiológicos abrandam, a respiração e batimentos cardíacos tornam-se demasiado baixos e a pressão sanguínea diminui, levando, consequentemente, à perda de consciência - hipotermia. Quando a temperatura desce abaixo dos 28ºC, o corpo humano perde a capacidade de voltar à temperatura normal (Wang et al, 2006). No decorrer da evolução biológica, o corpo humano perdeu grande parte da capacidade de manter a sua temperatura constante, pelo que o uso de vestuário para protecção a condições climáticas adversas tornou-se uma necessidade (Wang et al, 2006). O calor e a humidade transferidos através de uma peça de vestuário são, por isso, aspectos de enorme importância Estado da arte. 3.

(18) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. para a sobrevivência e bem-estar do ser humano (Wand et al, 2006; Oğulata, 2007; Stanković, 2008). O conforto das peças de vestuário está assim relacionado com o conforto térmico e permeabilidade ao vapor de água (Özdil et al, 2007). As propriedades térmicas de uma peça de vestuário, que estão intimamente relacionadas com o conforto térmico do utilizador, envolvem a transferência de massa e de calor entre o corpo e o meio que o rodeia, formando uma barreira termicamente protectora. A qualidade desta pode ser avaliada quantitativamente através da resistência térmica da peça de vestuário que a promove, conhecendo a espessura () e condutividade térmica () deste último material (Huang, 2006; Abdel-Rehim, 206) – quanto maior é o valor de resistência térmica melhor é o isolamento térmico. . =. (1). Devido à complexidade das estruturas têxteis, que são geralmente constituídas por fibras poliméricas e ar, é necessário considerar vários mecanismos distintos para determinar a condutividade térmica total do material (.

(19) ): a condução de calor no gás ( ) e no sólido ( ) e o calor transmitido por radiação ( ) e por convecção ( ) (AspenAerogels, 2009a, Stanković, 2008). .

(20) = + + + . (2). É normalmente aceite que o mecanismo que mais influencia o resultado final é a transferência de calor por condução no sólido, por a condutividade térmica do ar ser menor do que a das fibras têxteis (Stanković, 2008). No entanto, nos materiais isolantes convencionais, com diâmetro de poros superiores a 1 mm, a transferência de calor por convecção pode ter uma influência significativa no resultado final, em condições normais de pressão e temperatura (AspenAerogels, 2009a). Como tal, o conforto térmico promovido por uma peça de vestuário depende directamente do material isolante que a constitui (Stepanian, 2007). No entanto, para que seja garantida a performance térmica, são requeridas outras propriedades ao material isolante. É necessário que este tenha baixa densidade, permeabilidade, durabilidade, resistência mecânica e que, ao mesmo tempo, seja fácil de manusear e manipular (Bynum, Richard, 2001). Estas propriedades são especialmente importantes quando o material é desenhado para condições ambientais extremas. (Stepanian, 2007). O design e desenvolvimento de materiais têxteis funcionais, que promovam a regulação dinâmica da transferência de calor entre o corpo humano e o meio que o rodeia, têm sido alvo de grande atenção nos últimos anos. No entanto, estes novos materiais, para além de Estado da arte. 4.

(21) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. não responderem esponderem completamente às necessidades de isolamento térmico são, normalmente, espessos e pesados e possuem um ciclo de vida curto (Sannino, 2006; Sarier, Onder, 2007). Uma forma de melhorar as propriedades das estruturas têxteis geralmente utilizadas utilizada para conferir isolamento térmico seria funcionalizá-lass com um material que apresente propriedades isolantes muito boas, ou seja elevada resistência térmica. térmica O aerogel, devido do às suas características e propriedades, pode ser muito útil út para este tipo de aplicações.. Este é um dos materiais mais estudados, s, e é usualmente conhecido como o “Frozen “ smoke” ” devido à sua aparência com “fumo congelado” (ver Figura 1) (Sannino et al, 2006).. É normalmente. Figura 1 - Aerogel. sintetizado quimicamente por substituição, em condições supercríticas, da. (Frozen smoke).. fase líquida existente nos poros de partículas coloidais por po ar (Hüsing, Hüsing, Schubert, Schubert 2006; AspenAerogels, 2009b). Isto é, é a síntese é iniciada quando um precursor de gel – que pode ser um composto químico ou uma mistura de compostos químicos – forma pequenas partículas coloidais. Esta dispersão de nanopartículas (também conhecida por “sol”) “ é, por condensação, induzida a formar semi-sólidos semi porosos que, por possuírem uma elevada tensão superficial, confinam parte da fase líquida existente em solução no seu interior - ou seja, forma-se um Gel. Este líquido é eliminado por secagem,, normalmente em condições supercríticas. Nestas condições, condições diminui-se a tensão superficial entre o sólido e o líquido, l tornando possível ível a substituição do do líquido que se encontra no interior das partículas sólidas s por um gás, neste caso, o ar, sem alteração da sua composição (Hüsing, Schubert, Schubert 2006; AspenAerogels, 2009b). Este ste processo de síntese está esquematizado na Figura 2. O aerogel tem um elevado potencial em aplicações variadas e é o melhor isolante térmico, eléctrico e acústico conhecido. A sua condutividade condutividade térmica é na ordem dos 20 mW/(m·K) à pressão atmosférica, tmosférica, sendo este valor 100 vezes menor do que a condutividade térmica da sílica, e menor enor do que a do ar (Dorchech, Abbasi, Abbasi, 2008). Tal facto deve-se deve ao diâmetro de poros do aerogel, que por apresentar um valor na ordem das dezenas de nanómetros, faz com c que a contribuição da transferência de calor por convecção no cálculo da condutividade térmica total do material seja tão pequena que pode ser desprezada, reduzindo este à soma da condutividade térmica do ar existente no interior dos seus poros ( que o constitui. (. ) e do calor transferido por radiação (. ), do material sólido. ) (AspenAerogels, AspenAerogels, 2009a): 2009 (3). Estado da arte. 5.

(22) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Solução precursora. SiO2. Figura 2 - Esquema representativo da síntese do aerogel. (Adaptado de AspenAerogels, 2009b). O aerogel à base de sílica é o mais comum, mais usado e, até hoje, o mais estudado. É normalmente constituído por, no mínimo, 90% de ar e dióxido de silício (SiO2) (Figura 3). Os grupos silanol presentes na sua estrutura permitem a absorção da água, pelo que, este material é, geralmente, hidrofílico.. Esta. característica. pode. tornar-se. um. Figura 3 - Esquema representativo da estrutura química de um aerogel à base de sílica.. desvantagem quando se pretende utilizar este material nanoestruturado para isolamento térmico em condições climáticas extremas, tais como, em vestuário de protecção ao fogo, Estado da arte. 6.

(23) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. pois há a possibilidade da condensação da humidade existente existente nos seus poros, poros o que pode levar ao colapso destas estruturas. No entanto, os grupos silanol existentes no aerogel à base de sílica podem ser substituídos (durante a síntese) ou funcionalizados (depois da síntese) por diferentes grupos, incluindo polímeros, polímeros tornando o aerogel hidrofóbico e, consequentemente, mais resistente. Mesmo assim, assim o aerogel continua a ser um material de difícil manuseamento, manuseamento por ser mecanicamente instável, isto é, frágil fr e quebradiço (Dorchech, Dorchech, Abbasi, Abbasi 2008; Hüsing, Schubert, 2006). Têm sido feitas inúmeras tentativas para criar um sistema que consiga manter as propriedades do aerogel durante a sua utilização, tais como a ligação a substratos por intermédio de adesivos, a criação criaç de placas onde este está agregado a fibras ou o encapsulamento sulamento do aerogel em partículas poliméricas (Rouanet et al, 2006; 2006 Ackerman 2003; Field, Scheidemantel, 2004; Schwertfeger et al, 2000; Schroth et al,, 2008; Lehmann, Lehmann 2008; Okoroafor et al, 2000). A título de exemplo, a Cabot desenvolveu um produto, o Nanogel® Aerogel erogel Blanket (ver Figura 4), que consiste num não-tecido tecido à base de fibras bi-componentes (poliéster e polietileno) com partículas de aerogel. aerogel Este material é flexível, compressível e possui uma baixa condutividade térmica (21 – 26 W/(m·K)) (Cabot, 2009a).. É geralmente utilizado uti no isolamento de tubagens ou no isolamento de edifícios (Cabot, 2009b). No entanto,. Figura 4 - Nanogel® Aerogel Blanket. as partículas de aerogel soltam-se soltam com facilidade, tornando a sua utilização impraticável em alguns tipos tipo de aplicações. Até té à data, o uso do aerogel estava mais centrado em aplicações científicas, como por exemplo o uso em detectores Cerenkov, Cere na indústria aeroespacial, em técnicas audiovisuais e na difusão de polímeros (Fricke, Tillotson 1997).. No entanto, devido ao enorme potencial deste material, a sua aplicação tem vindo a generalizar-se se para aplicações mais comerciais, como por exemplo a utilização do aerogel entre placas de vidro para aplicação em janelas de edifícios (devido ao facto de este ser transparante) ou o seu uso em refrigeradores, transportadores térmicos, recipientes para aquecimento de água, entre muitos outros (Fricke, Tillotson, 1997). Os substratos têxteis mais utilizados, utilizados actualmente, para conferir isolamento térmico em condições climáticas adversas, rsas, são baseados em fibras ibras sintéticas especiais à base de poliéster. O poliéster é um composto constituído por substâncias químicas derivadas do petróleo e as suas fibras apresentam como principais características uma elevada resistência mecânica, boa estabilidade dimensional, baixo enrugamento, secagem rápida, baixa absorção de água e elevada resistência térmica ica (Morgado, 2008a). Estado da arte. 7.

(24) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Uma forma de funcionalizar fibras de poliéster consiste no seu processo de tingimento com corantes dispersos. Estes corantes são hidrofóbicos e formam dispersões aquosas com a ajuda de surfactantes. Depois de algum tempo em contacto com as fibras - tempo este que depende do tamanho de partículas dos corantes e se há ou não a adição de agentes transportadores (carriers) – os corantes migram para o seu interior, devido à sua dilatação. Depois de finalizada a reacção, as fibras de poliéster voltam à sua forma original, ficando o corante. fisicamente. retido. no. seu. interior.. Figura 5 - Esquema representativo do tingimento das fibras de poliéster com corantes dispersos.. Dependendo do tipo de corante, este pode também ligar-se quimicamente à fibra, por interacções do tipo Van der Walls e/ou pontes de hidrogénio (Figura 5) (Morgado, 2008b). Tal como acontece com os corantes dispersos, a distribuição de tamanho de partículas do material nanoestruturado utilizado para o desenvolvimento deste projecto é na ordem dos micrómetros. Outro aspecto em comum entre eles é o facto de serem hidrofóbicos. Dadas as semelhanças, a metodologia usada neste projecto para a incorporação do composto A nos substratos têxteis (tecidos e não-tecidos à base de poliéster) baseou-se no processo de tingimento destes com corantes dispersos. Existem, no entanto, outros métodos descritos na literatura, para a incorporação de materiais nanoestruturados à base de sílica, como é o caso do aerogel, em aglomerados de fibras (aerogel blanket) (Rouanet et al, 2006). Neste caso, os materiais resultantes são espessos e pouco flexíveis, sendo por isso usualmente utilizados para aplicações industriais, menos exigentes em termos de conforto, tais como na construção civil, aeroespacial e automóvel. Em suma, o objectivo deste projecto é o desenvolvimento de estruturas têxteis com elevado isolamento térmico para aplicações em condições climáticas extremas. O material isolante escolhido foi um material nanoestruturado à base de sílica e desenvolveu-se uma metodologia de incorporação deste componente em substratos têxteis (à base de poliéster), com base no processo de tingimento típico destas fibras com corantes dispersos e com base noutras metodologias descritas na literatura.. Estado da arte. 8.

(25) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. 3 Materiais e Métodos O trabalho laboratorial efectuado no âmbito deste projecto consistiu na incorporação de diferentes substratos com um material nanoestruturado à base de sílica, com o objectivo de melhorar as suas propriedades de isolamento térmico.. 3.1 Substratos têxteis utilizados Como foi referido anteriormente, o isolamento térmico em condições climáticas adversas é, actualmente, assegurado por fibras sintéticas especiais à base de poliéster. Como tal, para o desenvolvimento deste projecto utilizaram-se tecidos, Z1 e Z2, e não-tecidos, X, Y1 e Y2, cuja constituição é à base de fibras de poliéster. Na Tabela 1 estão as principais características destes substratos. Tabela 1 – Principais características dos diferentes substratos utilizados (adaptado de CoolmaxThermolite, 2009; Maoxiang, 2009; Evolon, 2009).. Substrato. Principais características. Esquema representativo Pele. • Devido à sua estrutura porosa, é um bom. Barreira termicamente protectora promovida pela camada de ar existente entre a pele e o não-tecido.. Material X. isolante térmico. • Apresenta características de hidrofobicidade. X. • É leve e flexível. Material isolante: ar.. Humidade Material constituído por fibras ocas.. • Constituído por uma mistura aleatória de fibras Y1. de poliéster e poliamida. • A sua estrutura é respirável. As características deste substrato são idênticas às. Y2. do anterior, com excepção da sua estrutura física. Poliéster. Poliamida. que é mais porosa do que a do Y1. Pele. Z2. Material Z2. • Tecido 100% constituído por fibras de poliéster.. Ar. • A sua estrutura é respirável. Humidade. Materiais e métodos. 9.

(26) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. O substrato Z1 é, também, um tecido 100% constituído por fibras de poliéster. Utilizaram-se tecidos e não tecidos à base de poliéster com características distintas, com o objectivo de determinar qual destas estruturas é a mais favorável para a incorporação de uma maior quantidade de composto A. Depois de efectuada esta análise, os substratos que apresentaram melhores resultados foram caracterizados em termos de isolamento térmico, com o objectivo de avaliar a sua aplicabilidade para protecção a condições climáticas adversas.. 3.2 Incorporação do composto A nos substratos têxteis O composto A é um material nanoestruturado à base de sílica com características hidrofóbicas. A metodologia utilizada para a sua incorporação em estruturas têxteis teve como base metodologias utilizadas para o tingimento de fibras de poliéster com corantes dispersos e outras existentes na literatura (Rounet et al, 2006). Começou-se por dispersar o composto A em água para, posteriormente, adicionar, a esta mistura, uma amostra de dimensões 8x8 cm2 de cada um dos substratos estudados. Para isso, devido às características hidrofóbicas do material, tornou-se necessária a adição de um surfactante. O surfactante utilizado é o Pluronic X, da BASF. É um surfactante não iónico e a sua natureza química, constituída por moléculas de polipropileno glicol e polietileno glicol, permite a formação de pouca espuma durante a sua utilização. A dispersão do composto A em água foi, inicialmente, efectuada com 250 mg de A, 100 ml de água (40% m(água)/m(A)) e diferentes quantidades de surfactante (de 5% a 30% em relação à quantidade de A). Variou-se a percentagem de surfactante em solução, com o objectivo de determinar qual a quantidade mais eficaz para a incorporação do composto A em cada um dos substratos estudados. Com base nos resultados obtidos, utilizou-se a quantidade de surfactante que apresentou melhores resultados e estudou-se o efeito da quantidade de composto A no sentido determinar qual a quantidade mínima necessária para a saturação das diferentes estruturas têxteis. Para isso, variou-se a quantidade de A na dispersão inicial entre 25 e 250 mg. Para promover a dispersão do composto A na água, agitou-se a mistura (A, surfactante e água) durante 21 horas, num banho de água a 150 rpm, à temperatura ambiente. Colocou-se a possibilidade da utilização de um equipamento de ultrasons para acelerar este processo, todavia, como o composto A é muito frágil, este tipo de agitação poderia destruir a sua estrutura porosa, fazendo com que as propriedades de isolamento térmico deste material deixassem de existir. Passadas as 21 horas, adicionou-se uma amostra de substrato à mistura, que permaneceu em agitação nas mesmas condições referidas anteriormente durante o mesmo período de tempo, de forma a promover a ligação do composto A ao substrato. Materiais e métodos. 10.

(27) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. Finalizado este processo, as amostras foram filtradas por vácuo e enxaguadas para eliminação do composto A em excesso e, por último, secas a uma temperatura igual a 120ºC durante 12 horas. Realizaram-se, ainda, dois ensaios recorrendo à metodologia utilizada para o tingimento de fibras de poliéster com corantes dispersos, descrita no Anexo 5. O passo seguinte foi caracterizar as amostras obtidas por uma série de técnicas analíticas, com o intuito de determinar se os objectivos pretendidos com o tratamento dos substratos têxteis com o composto A foram atingidos. Para efeitos comparativos, realizou-se um outro ensaio, para cada um dos substratos, com a mesma metodologia referida anteriormente, com excepção da adição do composto A à mistura inicial.. 3.3 Caracterização dos substratos têxteis Os substratos têxteis foram caracterizados antes e após o tratamento com o composto A por: microscopia óptica (M.O.), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), microscopia electrónica de varrimento com microanálise de raios-X (SEM/EDS), termogravimetria (TGA), medição de ângulos de contacto e determinação do tempo de repelência à água. Testou-se, ainda, a solidez à lavagem dos substratos após tratamento com o composto A. Por fim, determinou-se a resistência térmica dos materiais estudados, recorrendo ao uso do Skin Model, disponível nas instalações do CITEVE. Simultaneamente, tentou-se desenvolver um método de determinação da condutividade térmica por calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Nas páginas seguintes, estão descritos os métodos utilizados para a caracterização dos substratos, referidos anteriormente. 3.3.1. Ângulo de contacto e tempo de repelência à água (TRA). A medição do ângulo de contacto de uma gota de água com a superfície do substrato foi realizada no medidor Contact Angle System OCA 20, da DataPhysics Instruments, disponível nas instalações do CITEVE. Foram efectuadas 5 medições em cada amostra de dimensões 4x8 cm2, à temperatura ambiente. Utilizou-se uma seringa Hamilton Microliter para dispensar uma gota de 2 µl de água - valor recomendado pelo fabricante para o tipo de medições pretendida. Determinou-se, ainda, o tempo de repelência à água do substrato. Para isso, colocou-se uma gota de água à sua superfície e determinou-se o intervalo de tempo em que esta permanecia à superfície do tecido/não-tecido antes de ser completamente absorvida. Materiais e métodos. 11.

(28) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. 3.3.2. Solidez à lavagem. Os ensaios de solidez à lavagem foram realizados de acordo com as condições definidas no ponto AS1 da Norma Portuguesa EN ISO 105-C06, por se tratar de um procedimento menos agressivo para os substratos. Colocou-se uma amostra de tecido/não-tecido de dimensões 8x4 cm2 num copo com cerca de 100 ml de solução de detergente (4 g/l) a uma temperatura de 40ºC, em agitação durante 30 minutos. No final da lavagem, enxaguou-se a amostra de tecido duas vezes em dois banhos de água distintos, a uma temperatura igual a 40ºC, durante 1 minuto. O equipamento utilizado para a realização destes ensaios foi a Mathis Labomat BFA, da Werner Mathis AG, disponível nas instalações do CITEVE. O detergente utilizado possui a referência AATCC-WOB e é caracterizado pelo seu baixo poder de formação de espuma. 3.3.3. Microscopia ótpica (M.O.). As imagens de microscopia óptica foram adquiridas num microscópio óptico Leica DM2500 M com uma câmara digital Leica DFC 420, disponível nas instalações do CeNTI. Foram adquiridas imagens dos substratos estudados com ampliações compreendidas entre 5x a 20x, que foram processadas no software Leica Application Suite v. 3.1.0. 3.3.4. Microscopia electrónica de varrimento (SEM). As imagens de SEM foram obtidas no Centro de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP), num microscópio electrónico de varrimento FEI QUANTA 400, em baixo vácuo. Foram obtidas imagens resultantes de electrões secundários e rectrodifundifos, com ampliações entre 500x e 50 000x. As amostras foram, ainda, caracterizadas por microanálise de raios-X (EDS), que permitiu uma análise química das amostras analisadas. 3.3.5. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Os espectros de infravermelho das diferentes amostras foram obtidos num espectrómetro FTIR, Perkin-Elmer 100, equipado com um acessório de ATR universal (reflectância total atenuada), com um cristal de diamante. Foram efectuados 16 ciclos de varrimento entre os números de onda 650 e 4000 cm-1, com uma resolução de 4 cm-1. Efectuaram-se análises em três zonas distintas das estruturas têxteis tratadas com o composto A. 3.3.6. Termogravimetria (TGA). As análises de termogravimetria, para quantificação da quantidade de composto A existente em cada uma das amostras, foram realizadas no equipamento Thermogravimetric analyser Pyris, da Perkin Elmer, disponível nas instalações do CeNTI. Procedeu-se à degradação térmica das fibras dos diferentes substratos por queima em ar, a uma velocidade de Materiais e métodos. 12.

(29) Desenvolvimento de materiais com elevado isolamento térmico. varrimento igual a 10ºC/min, no intervalo de temperaturas entre 40 e 900ºC. Foram efectuados, na maioria dos casos, dois ensaios para cada uma das amostras obtidas. 3.3.7. Calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Durante o decorrer do projecto estudou-se a possibilidade de utilização de um calorímetro diferencial de varrimento, Diamond DSC da Perkin Elmer, existente nas instalações do CeNTI, para a determinação da condutividade térmica das diferentes amostras. Para isso, efectuaram-se vários ensaios entre os intervalos de temperatura 145ºC e 180ºC a uma velocidade de varrimento entre 0,2ºC/min e 10ºC/min.. 3.3.8. Skin Model. A resistência térmica dos diferentes substratos foi determinada recorrendo ao uso do método “Sweating Guarded-Hotplate”, comummente designado por Skin Model, disponível nas intalações. do. CITEVE,. de. acordo. a. Norma. ISO. 11092:1993(E). Os ensaios foram efectuados em amostras de dimensão 20x20 cm2, a uma temperatura de 35ºC, em regime estacionário. Este equipamento, devido aos poros existentes no seu prato metálico, consegue simular a transferência de massa e calor que, normalmente, ocorrem entre o corpo humano e o meio que o rodeia, sendo, por isso, um método geralmente utilizado para. Figura 6 - Unidade experimental do Skin Model, de acordo com a Norma ISO 11092:1993(E) (Bartels, 2003).. a caracterização de peças de vestuário. Efectuaram-se três ensaios para cada uma das amostras estudadas, de forma a determinar qual a reprodutibilidade da metodologia utilizada para melhorar as propriedades de isolamento térmico de diferentes estruturas têxteis, para aplicação em condições climáticas extremas.. Materiais e métodos. 13.